專利名稱：：通過碳酸鹽水溶液捕獲和電滲析回收CO₂的系統(tǒng)和方法
技術領域：
：本申請涉及碳捕獲和再生，具體而言，涉及基于溶劑的C02捕獲和再生，所述C02產生于供給化石燃料的發(fā)電裝置、煤氣化設備或其他來源。
背景技術：
：盡管基于溶劑的捕獲技術很有前景，但它們并非沒有不足之處。相對于發(fā)電設備煙道氣提取、煤氣化設備的預燃氣體提取和其他來源中的C02提取之所需而言，捕獲及再生能量效率仍然很低。溶劑成本和系統(tǒng)組成部分的退化也成為令人關注的問題。此外，還需處理潛在的溶劑和溶劑降解副產物的排放問題。C02的無機水溶液捕獲法具有某些優(yōu)點，并且應用于方法條件允許之處，其產品的價值也高到可以合理接受其提高的成本的程度。一類具體的無機水溶液法凈皮稱為Benfield高溫KC03水溶液捕獲系統(tǒng)。該方法在不希望使用有機溶劑且成本亦不成為問題時很適宜。Benfield系統(tǒng)是天然氣和煉油工業(yè)中為除去C02所常用的溶劑捕獲技術之一。雖然Benfield系統(tǒng)教導的C02的水溶液捕獲快速高效，但再生過程所耗費的能量很高，并且需要對進氣流進行加壓，這就使其在煙道氣捕獲方面不那么有吸引力。因此，需要其他更有效的水性溶劑再生系統(tǒng)和方法。C02的水溶液捕獲領域中的一個特別創(chuàng)新是使用了雙極性膜電滲析(BPMED)，它已被用于酸/堿回收和/或其他的廢物流處理。BPMED利用了以下原理水在外電場的存在下自然解離成氫氧根和水合氫離子從而產生彼此獨立的酸性水液流和堿性水液流。根據出版物Nagasawa,H，Yamasaki，A"Yanagisawa，Y,NETL-SixthAnnualConferenceonCarbonCapture&Sequestration(2007),Nagasawa等人已對BPMED'用于回收煙道氣中的C02進行了研究，上述出版物通過援引的方式全文納入說明書。所示圖1為一個利用例如Nagasawa等人提出的電滲析系統(tǒng)和方法從堿金屬碳酸鹽溶液中回收C02和堿溶液的系統(tǒng)100。根據圖1的系統(tǒng)實施電滲析C02回收方法時，堿金屬碳酸鹽(M2C03)水溶液與氣相中的C02相接觸時發(fā)生以下反應C02+H20eH2C03(1)H2C03&H++HC03_(2)HC03-eH++C032-(3)升高溫度或者向系統(tǒng)中加入質子(即減小pH)可使該平衡向左側移動，從而增加C02分壓。前一種機制對應于從碳酸鹽溶液中回收C02的熱回收法。而將要描述的方法對應于后一種機制。具體而言，通過解離水分子(如下所示)可提供質子，H20oH++Otf(4)在能夠回收C02之前，需將質子與氫氧根離子分離，然后將其供給加料溶液。在此之后，為了保持溶液電中性，應除去加料溶液中的堿金屬離子。除去的氫氧根離子和堿金屬離子將形成可重復用于C02吸收的堿性溶液。為實現上述過程，如圖1的系統(tǒng)100所示，堿池102和加料池104夾在兩個雙極性膜106、108和一個陽離子交換膜110之間。雙極性膜106、108的另一側分別與陰極池112和陽極池114相接觸，其中電極116、118被插入相應的電解質溶液120、122中。將碳酸鹽堿溶液124從進料池104加入，具有與堿溶液124相同陽離子的電解質溶液126從堿池102加入。128示出了C02釋放。陽離子交換膜為一類專門轉運陽離子的離子交換膜。雙極性膜具有陽離子交換層和陰離子交換層(未分別示出)的雙層層狀結構。當通過電源(未示出)向電極116、118施加大于水的電滲析分解電壓的電勢差時，雙極性膜108將水分子分成成對的質子(H+)和氫氧根離子(OH-)。生成的質子順電勢差被轉運到加料池104。同時，加料池104中的堿金屬離子(M+)通過陽離子交換膜110被轉運到堿池102中。因此，加料溶液的pH降低，溶液根據以下原理生成C02氣體c032-+h+—hccv(3')hc03+h+—h2c03(2')h2c03—c02t+h2o(r)另一方面，與堿池102接觸的雙極性膜106向堿池提供氬氧根離子(OH-)，其中堿溶液借助從加料池104轉運而來的堿金屬離子(M+)而得到再生。再生的堿溶液可重復用于廢氣中C02的捕獲。電滲析為潛在的節(jié)能方法，因為它可在近似最小熱力學能量消耗下進行。然而，該方法效率將由于電極池中的電解過程而顯著降低。例如，在透析池電極末端，一部分電力將被消耗用于產生氧氣和氫氣。然而，增加兩個電極之間的加料池和堿池對的數目將減少電解中分散的能量消耗并提高該方法的效率。更具體而言，不論兩個電極間的加料池和堿池對的數目如何，在恒定電流下電解損耗的電力(在電極末端形成112和02)恒定。增加堿池和加料池對，將減少每個池電解的能量消耗。然而，Nagasawa等人所述的系統(tǒng)存在不足之處。使用BPMED技術回收C02的障礙有操作上的考慮(例如池中C02逸出)所致的系統(tǒng)在物理方面退化的可能，以及投資成本和運4亍成本，例如未控制的系統(tǒng)pH所致的能量成本。這些不足并不是根本性問題，因此有利地考慮對現有構思進行改進以克服碳酸鹽/碳酸氫鹽提取和C02濃縮方面的局限性。
發(fā)明內容一種用于回收C02的系統(tǒng)和方法，包括含捕獲溶液的水溶液捕獲裝置。所述水溶液捕獲裝置被設置成用于接收氣體和從該氣體中捕獲至少含C02的成分。與所述捕獲裝置可操作連接的電滲析單元對至少含C02的捕獲溶液進行電滲析操作，其中由所述至少含C02的捕獲溶液形成富含C02的生產液流和再生的捕獲溶液。所述富含C02的生產液流為一種在電滲析單元中處于能將C02基本上維持在所述富含C02的生產液流中的壓強下的加壓生產液流。在另一個供選方案中，至少所述捕獲液流的pH受到控制。圖1為表示用電滲析方法從堿固定溶液中回收C02和堿溶液的回收系統(tǒng)的示意框圖2為包含本申請構思的方法流程示意圖3示出了可用于圖2系統(tǒng)的三層雙極性膜電滲析層疊；和圖4示出了另一個可用于圖2系統(tǒng)的構思的雙層池構造雙極性膜電滲析層疊；和圖5為包含例如圖3和4所述池的雙極性膜層疊。具體實施例方式在一個方面，本發(fā)明提供了一種回收C02的系統(tǒng)，包括一個含捕獲溶液的水溶液捕獲裝置，所述水溶液捕獲裝置被設置成用于接收氣體和從該氣體中捕獲至少含C02的成分；和一個與所述捕獲裝置可操作連接的對所述至少含C02的捕獲溶液進行電滲析操作的電滲析單元，其中由所述至少含C02的捕獲溶液形成富含C02的生產液流和再生捕獲溶液，所述再生捕獲溶液被輸送回所述水溶液捕獲裝置，所述富含C02的生產液流為一種在電滲析單元中處于能將C02基本上維持在所述富含C02的生產液流中的壓強下的加壓生產液流。在一些實施方案中，上述系統(tǒng)還可包括用于監(jiān)測所述系統(tǒng)pH的監(jiān)測儀；進一步地，上述系統(tǒng)還包括一個根據該監(jiān)測儀提供的信號控制所述捕獲溶液的流速的控制器。在一些實施方案中，所述系統(tǒng)中的電滲析單元可為雙極性膜電滲析單元。另一個方面，本發(fā)明提供了一種回收C02的方法，包括在一個水溶液捕獲裝置中接收氣體；通過所述水溶液捕獲裝置中的捕獲溶液捕獲至少部分的至少含C02的氣體；和通過一個電滲析單元對所述捕獲溶液進行電滲析操作，其中由所述至少含C02的捕獲溶液產生富含C02的生產液流和再生捕獲溶液，所述富含C02的生產液流為一種在電滲析單元中處于能將C02基本上維持在所述富含C02的生產液流中的壓強下的加壓生產液流。在一些實施方案中，上述方法還可包括將所述再生捕獲溶液輸送回水溶液捕獲裝置，所述再生捕獲溶液基本上被去除C02;通過氣體釋出/分離罐對富含C02的生產液流至少部分地減壓以從所述生產液流中7除去C02;和將去除了C02的生產液流輸送回并通過電滲析單元。進一步地，在電滲析單元處理所述富含C02的生產液流時，所述捕獲溶液有利地被施以可足以基本上消除C02從富含C02的生產液流中的逸出的壓力。在一些實施方案中，所述方法還可包括，在用電滲析單元對捕獲溶液進行操作前至少控制所述捕獲溶液的pH。有利地，電滲析單元中的捕獲溶液生產液流的pH可為8至10;富含C02的生產液流的壓強可為2-200個大氣壓。在一些實施方案中，所述方法還可包括在電滲析單元內提供一種緩沖生產液流。再一個方面，本發(fā)明提供了一種回收C02的方法，包括在一個水溶液捕獲裝置中接收氣體；通過所述水溶液捕獲裝置中的捕獲溶液捕獲至少部分的至少含C02的氣體；通過一個電滲析單元對所述捕獲溶液進行電滲析操作，其中由所述捕獲溶液產生富含C02的生產液流和再生捕獲溶液；和在所述電滲析單元對所述捕獲液流進行操作前至少控制所述捕獲液流的pH。在一些實施方案中，該方法還可包括將所述再生捕獲溶液輸送回水溶液捕獲裝置，所述再生捕獲溶液被基本上去除C02;除去所述富含C02的生產液流中的C02;和將去除了C02的生產液流輸送回并通過電滲析單元。在該方法的一些實施方案中，所述富含C02的生產液流可為一種在所述電滲析單元中處于能將C02基本上維持在所述富含C02的生產液流中的壓強下的加壓生產液流。此時，除去富含C02的生產液流中的co2的步驟可有利地包括對所述富含C02的生產液流至少部分地減壓。富含C02的生產液流的壓強可有利地為2-200個大氣壓。并且，有利地，在電滲析單元處理富含C02的生產液流時，所述捕獲溶液被施以可足以基本上消除C02從富含C02的生產液流中的逸出的壓力。在該方法的一些實施方案中，電滲析單元中捕獲液流的生產液流的pH可有利地為8至10。在一些實施方案中，所述方法可進一步包括在電滲析單元內提供一種緩沖生產液流。I)系統(tǒng)方法流程現參照圖2，該圖所示為包含本申請構思的示意方法流程200，它例如可克服諸如圖1所示系統(tǒng)的缺點。更具體而言，圖2為一個閉環(huán)的水溶液捕獲高壓雙極性膜電滲析再生系統(tǒng)。應理解，雖然圖2示出了包含本申請構思的系統(tǒng)的一個實施方案，所公開的構思同樣適于并且可用于具有非圖2所示的組成部分和流程的系統(tǒng)。此外，盡管該部分引入了本申請的構思，但隨后的部分中可對所引入的構思予以擴展。首先，來自產生C02的裝置204的空氣和/或其他氣體202在環(huán)境條件下即在與入口空氣和/或氣體相同的條件下通過水溶液捕獲裝置例如噴霧塔206。本領域公知，可進行任選的、除去環(huán)境污染物例如S02，Hg，NOx和固體顆粒(煙塵)的氣體預處理(圖2未示出)。噴霧塔206由10%-50%K2C03/KHC03水溶液逆流組成，其中捕獲溶液208收集于罐210中。捕獲溶液在此處捕獲并包含入煙道氣和/或大氣空氣中所含的組分，該組分至少含C02。從噴霧塔206排出的固體212得到分離并從捕獲溶液208中移除。此后，含煙道氣和/或空氣的剩余組分的捕獲溶液208被泵入離子交換裝置214中，所述離子交換例如為二價陽離子交換，其中二價陽離子被除去。在實施方案中，也可除去三價或者更高價的多價離子。通過該操作除去可能對透析膜材料有害的多價陽離子。然后，通過加壓泵216將捕獲溶液208加壓至2-200個大氣壓，并將該溶液導入雙極性膜電滲析單元218中。該系統(tǒng)在此處控制捕獲溶液的pH，從而使捕獲溶液在進入電滲析單元前具有已知的pH。在電滲析單元218(在一些實施方案中，它可被構建成對應于圖3、4和5的結構)中，通過電滲析對捕獲溶液208部分脫除碳酸氫鹽。該碳酸氫鹽被轉移至經緩沖的富含C02的生產液流220中，其具有約3.0至4.0的恒定pH。該富含C02的高壓生產液流220通過P調節(jié)器222被轉移至氣體釋出/分離罐224中，其中罐224的壓強隨著C02的釋放而降低。之后，用冷凝器226除去釋出的C02中的水蒸汽。隨后，對0)2加壓至約2000PSI，該C02即可用于儲存和/或運輸。在一些實施方案中，可能并不需要冷凝溶液，而有利地只是形成碳酸鹽溶液，并將其運輸儲存或保管。此外，在實施方案中，應理解，所述富含C02的生產液流應理解為其C02濃度為捕獲液流中溶解的C02濃度的至少兩倍。將現除去C02的生產液流228通過再次加壓泵230和熱交換器232返回至電滲析單元218中，而再生的K2C03/KHC03煙道氣捕獲溶液234通過P調節(jié)器236返回至噴霧塔206中。富含C02的生產液流220和捕獲溶液208在電滲析單元218中保持彼此分離。應理解，如本文所使用的，所述的除去、部分除去和/或基本上除去再生的捕獲溶液中的C02意為從C02產生裝置204(或其他來源)生成的空氣和/或其他氣體202中除去的C02的量高到足以達到所需的C02去除量。例如，在一個實施方案中，當從空氣和/或其他氣體202中除去10%或更多C02時，即可達到所需的C02去除量。如此處所述，亦如隨后部分中所展開的，本發(fā)明系統(tǒng)的一個具體方面為向捕獲溶液施加壓力并控制系統(tǒng)pH值。關于pH的控制，現有的其他領域中的雙極性膜電滲析(BPMED)系統(tǒng)的實施通常是在沒有控制pH的情況下進行。由于雙極性膜電滲析系統(tǒng)很容易產生酸和堿，如果不對其進行調控，該系統(tǒng)的酸側的pH將會在很短時間內基本上降到1或0，堿側也會形成堿性很強的環(huán)境。因此，在一個未受調控的系統(tǒng)內可很快出現例如14的pH差異。這種情況是在用BPMED進行C02回收時特別不想出現的，原因是，如此高的pH差異會增加進行電滲析方法所必須使用的能量。為解決該問題，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法實行對pH值的監(jiān)測和控制。為實現該目標，系統(tǒng)200包括探測該過程中多種特征的監(jiān)測儀。例如，C02監(jiān)測儀238檢測進入噴霧塔206的C02的量，pH監(jiān)測儀240檢測從噴霧塔206排出的捕獲溶液208的pH值。該系統(tǒng)借助監(jiān)測儀238和240的讀數調節(jié)方法操作以確保維持所需的pH值。例如，根據接收到噴霧塔206中的C02的量，可增大或減小捕獲溶液的流速。本領域中已公知，可通過多種不同機制增大和/或減小生產液流的流速。在一個實施方案中，P調節(jié)器236被置于與控制器242可操作連接的位置，控制器242也可接收監(jiān)測儀238、239和240中至少一個的信號?；趶谋O(jiān)測儀238和240接收的信息，控制器242調節(jié)P調節(jié)器236的工作狀態(tài)從而增大和/減小進入噴霧塔206中的再生捕獲溶液234的液流。該信號可通過任何已知方式例如電路連接和/或無線連接進行傳遞。例如，在該圖中，示出控制器242與P調節(jié)器236電路連接，而監(jiān)測儀238、239和240以及控制器242之間為無線通訊。當然應理解，以上所述的只是系統(tǒng)200中如何監(jiān)測和控制pH的一10個實施方案，其他監(jiān)測儀和控制方法也可使用于其中。例如，在另一個實施方案中，如果根據來自噴霧塔的捕獲溶液的pH確定需要加入額外的捕獲溶液，則可在捕獲溶液208離開噴霧塔后，例如在捕獲溶液208進入離子交換裝置214前，向該捕獲溶液208液流中加入(例如碳酸鉀的)補充液流244。在又一個實施方案中，來自P調節(jié)器236的再生液流可通過合適的閥裝置由噴霧塔206轉向捕獲溶液208，如虛線246所示。再次說明，這些僅為如何將pH維持在所需水平的一些實例，其他這里未提及的實例也可使用。II)噴霧塔吸收現深入討論C02的捕獲，對于在純的以及被促進的碳酸鹽/碳酸氫鹽水溶液中的這類捕獲已有近IOO年的研究歷史。未經促進的以及得到促進的捕獲反應的動力學和能量學已廣為人知，并且已在Tseng,P.C.，Ho，W.S.，Savage,D.W.，AIChEJournalVol.34，No.6(1988)922-931.(和其中所引的參考文獻)和Lee，Y.，Noble,R.D.，Yeomb，B.Y.，Park,Y.I.，Lee，K.H.，JournalofMembraneScience194(2001)57-67詳細描述，所述文獻的每一篇均通過引用的方式全文納入本文。因此，與例如本申請等所述的系統(tǒng)有關的稀溶液的純粹的水動力學和能量學在下表l中示出表lC02水溶液吸收的動力學數據<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>還應理解，雖然圖2使用噴霧塔進行水溶液捕獲，但可使用許多其他已知的水溶液捕獲裝置和方法，包括但不限于填料塔、文丘里滌氣器和中空纖維膜等等。盡管通常在封閉系統(tǒng)中使用可防止溶劑損失的促進劑，但純粹的碳酸鹽水溶液捕獲在能允許碳酸鹽溶劑的低C02負載的情況下特別可行。組分和液流的流速和大小根據裝置類型和具體結構而定；但碳酸鹽捕獲的流速在大型的氣體/液體裝置可接受的范圍內。例如圖2所示的系統(tǒng)中的溶劑(水)損失保持在最低程度。對于煙道氣捕獲，煙道氣流的高露點可使蒸發(fā)損失保持在最小程度。由于BPMED再生對于二價粒子例如Ca"敏感，可對噴霧塔的結構進行控制以限制它們的溶解。具體而言，可能需要合適的塔內聚合物涂層和其他流體處理組成部分。III)高壓雙極性膜電滲析再生如上所述，借助于電滲析的碳酸鹽/碳酸氫鹽液流的再生已在實驗室水平上得到證實。除了前述的Nagasawa，"a/.，還可參見Chlanda，F.P.，Mani，K.N.，"ElectrodialyticWaterSplittingProcessforGaseousProducts,"美國專利4592817，1986年6月；Chlanda，F.P.，Mani，K.N.，"ProcessforRecoveringSodiumCarbonatefromTronaandOtherMixturesofSodiumCarbonateandSodiumBicarbonate,"美國專利4584077，1986年4月；以及Chlanda,F.P.，Mani，K.N.，"SolutionMiningofSodiumMineralswithAcidsGeneratedbyElectrodialyticWaterSplitting,"美國專利4636289，1987年1月，上述每一篇文獻均通過援引的方式全文納入本文。這些現有方法的缺陷包括，由于捕獲溶液中C02釋放引起膜層疊結構內形成氣泡所致的膜退化。該膜層疊結構中的氣泡形成導致電流聚集和局部發(fā)熱。此外，溶液的低電導率和生產液流的混合不均會導致膜層疊結構內的內阻很高、電勢尤其高以及效率降低。膜層疊結構體可通過商業(yè)途徑購得，它們通常為約1mxlm的以平方米為單位的薄片，其中膜間距約為lmm，或者如果可能甚至更小。由于氣泡容易阻滯可產生離子電流的離子轉移，因此氣泡的形成會導致膜層疊結構的退化和破壞。因此，由于氣泡形成，離子電流就趨向繞過氣泡而不釆用所希望的電流路徑，從而導致膜局部發(fā)熱，最終將膜破壞。并且，在這類層疊結構中還不能快速高效地除去氣泡。為應對這一狀況，本申請在高壓下完成該方法的主要部分。具體而言，已知C02可溶于水，并且壓強越高其溶解量越多。因此，通過在2個大氣壓以上，以及在2-200個大氣壓范圍內，優(yōu)選在30個大氣壓或更高壓強下進行透析操作，可基本上抑制膜層疊結構中C02氣泡形成，從而將C02基本維持在富含C02的生產液流中，這就意味著層疊結構中的C02氣體形成被降到最低水平或者被消除。該壓強為流體靜壓強，因此仍會發(fā)生電滲析反應(即，C02進入膜層疊結構并被酸化)，但只要C02濃度保持在形成氣泡的閾值水平或高于該水平，它就仍會維持在溶液形式中。這與使蘇打水處于壓力條件下時維持蘇打水的碳酸化作用類似。因此，將膜層疊結構的壓強維持在較高水平，并且只在膜層疊結構下游降低該方法的壓強。之后，捕獲溶液就會逐漸冒泡，C02從捕獲溶液液流中逸出。對于圖2的系統(tǒng)200的討論，已經描述了使用加壓泵216提供壓力。應理解，這只是所述系統(tǒng)中進行加壓的一種設置和/或方式?；蛘?，水溶液捕獲裝置自身可被加壓或者可在不同于加壓泵216的位置上提供加壓源。再者，盡管已經描述了可對捕獲液流施加壓強，但本文所述的構思是關于將C02維持在溶液中。因此，本發(fā)明的構思也可表述為指出所述富含C02的生產液流為一種處于能將C02基本上維持在所述富含C02的生產液流中的壓強下的加壓生產液流。這一表述強調，不論如何對系統(tǒng)施加壓力，為實現本發(fā)明所述的有益效果，C02被維持在系統(tǒng)中的溶液狀態(tài)下。在一個具體的實施方案中，需應用于所述富含C02的生產液流以確保將C02基本上維持在所述富含C02的生產液流中的壓強最小閾值比該壓強計算值高5%。在一些實施方案中，向所述富含C02的生產液流施加該壓強是通過向捕獲溶液施加壓強而實現。當然，如果一個系統(tǒng)能夠以更準確的方式調控該系統(tǒng)的壓強，則其最小值可更接近計算值。先前述及的本申請的另一方面是需要對系統(tǒng)pH進行控制。通過控制系統(tǒng)pH來實現更加能量有效的再生。pH問題涉及熱力學問題。具體而言，雙極性膜通過水分解而產生酸和堿。電滲析層疊結構利用了水的天然解離并驅使氫氧根陰離子向陽極移動，驅使水合質子陽離子穿過雙極性膜的陽離子交換部分向陰極移動。與該過程有關的能量與跨雙極性膜的pH差直接相關。例如，如果陽離子側pH為7并且陰離子側的pH也為7，則將一個質子從一側轉運至另一側(即，從膜的中部至陽離子側，或者對于氫氧根而言，轉運至另一側)所需的能量增量無窮小。然而，如果出現一側pH為0而另一側pH為14的情形，進行該過程所需的能量就要高得多。例如，如果兩側的差值為pH14,則當乘以0.06(由于分解水所需的每一側的每一個pH單位的電壓差為0.05至0.06)時，進行該過程需要約略小于1伏的電壓(或者14x0.06=0.84v)。在現有的系統(tǒng)中，由于PH未得到控制，通常膜層疊結構中每個雙極性膜需要略小于約1伏的最小電壓。由于這些膜層疊結構可具有一百(100)個或更多的雙極性膜，這就需要大量能量。因此，上述討論說明了將膜兩側pH調控為所用濃度所需的pH的益處。在酸側，pH控制依賴于氣體逸出時壓強。因此，需要將pH保持在剛好高于C02從溶液中逸出時的水平(參見表II的示例值)。由此，該系統(tǒng)可使用該過程所需的最小能量。作為部分從表11得出的實例，在一種情況中，控制將pH降至約3或者稍高一些，并且在堿側，pH將為約pHll,由此產生約為8的pH差。應理解，所需電壓與pH差成線性正比例。因此，pH差由14降為7或8時將會使所需電壓從略小于l伏降至約0.5伏，這樣就使得在既定電流下運行該過程所需的能量(電壓x電流)幾乎減半。再次說明，這是僅僅一個膜時的情形，而每個層疊結構可含一百個或者更多個這樣的膜。將該溶液用作緩沖溶液也是有用的，因為可能會出現局部pH變得非常低或者非常高的情況。因此，盡管溶液整體上可能具有所需的pH，但如果溶液未混合均勻并且緩沖容量非常小，則可能存在局部pH較高或較低的區(qū)域，為克服局部pH的問題，仍須如之前一樣花費額外的能量。因此，擁有較高的緩沖容量將pH維持在所需水平會非常有益。改善該系統(tǒng)的工作情況的另一方面是確保溶液的流速或者流速的性質被優(yōu)化到能最大程度地混合以避免較高或較低的局部pH。小的緩沖分子由于易于混合會很有利，它們將會盡可能減小膜表面的邊界層。因此，本申請描述了一種通過在適宜電流密度時使用較低電壓、同時限制膜層疊結構中的氣體逸出而實現高效溶劑再生的方法和系統(tǒng)。下面繼續(xù)關注高壓雙極性膜電滲析再生，現參照圖3，圖3是一個被設計用于應對高壓的市售三層雙極性膜電滲析膜池裝置300的示意圖，該裝置可被納入一個例如圖5所示的更大的膜池層疊結構500構造中。這類膜池裝置層疊結構可用于從含鹽廢液流中回收酸和堿。雖然它們在物理形態(tài)上與形成于膜池層疊結構中的市售膜基本相似，但它們在化學方面不盡相同，因為被脫除C02的捕獲溶液中含緩沖劑，而緩沖劑是在整個系統(tǒng)中運動的化學物質。因此層疊結構(例如圖5所示)在進行電滲析過程前得到緩沖以確保適當的遍及程度。圖3的膜池裝置300的結構與圖l所示的膜類似，只是存在附加的結構，該膜池裝置300由陰離子交換膜304、陽離子交換膜306和雙極性膜308組成。代表電源的陽極310和陰極312供給的電流穿過層疊結構300傳遞，當用于層疊結構500時，則是跨過許多個重復的透析膜池裝置300單元傳遞。多個(包括一百個或更多個)重復膜池單元可設置在單個透析膜層疊結構內。借此，在終端電極(即陽極310、陰極312)上只有1-2%或者更少的總電勢被消耗形成112和02。生成的&和02的價值包含在具體的成本分析中。每個陰離子交換膜304和陽離子交換膜306之間引入含鹽液流MX(例如KHC03或K2C03),其中產生的池中電勢驅使離子跨過各自的轉運層轉運。雙極性膜層表面被提供水合氫離子和氫氧根離子，從而分別生成酸性和堿性產物流HX和MOH。該過程已被證明在許多應用中具有高電流效率，單位池電勢與理論值接近，參見H,g，C.，Xu，T.，Zhang，Y.，Xue，Y.，Chen，G.，JournalofMembraneScience288(1-2)，(2007),1-12頁，該文獻通過援引的方式全文納入本^L明書。圖4示出具有不同于圖3的膜池裝置300的另一種池結構的用于本申請的方法和系統(tǒng)的膜池裝置400。膜池裝置400的設計為雙極性膜404位于陰離子交換膜406兩側的形式。被設計為該形式的多個(例如，在一個實施方案中包括一百個或更多個)重復膜池裝置可被安置在單個透析膜層疊結構例如層疊結構500中，陽極408和陰極410代表電源。當圖3和圖4的裝置用于例如圖2所示的系統(tǒng)中時，在所述裝置中，從噴霧塔獲得碳酸氫鉀/碳酸鉀溶液，對其加壓以抑制C02氣泡形成，并將其以鹽MX形式注入膜池裝置(300、400)。該碳酸氫鹽/碳酸鹽跨過陰離子交換層(304、406)轉運至被緩沖為pH3-4的排出生產液流中。緩沖通過組分濃度以及維持足夠的流速而得以維持。碳酸氫鹽/碳酸鹽C02捕獲溶液通過來自雙極性膜的氫氧根離子流而再生，同時排出的富含C02的生產液流(圖中為HX液流)吸收水合氫離子流。捕獲溶液被緩沖以防止由于存在大量碳酸氫根離子而使pH過度升高(pH8-10)。任選地，用酸性緩沖液以及通過維持足夠流速來調控該富含C02的生產液流的pH，從而防止pH過低(目標值約pH3-4)。再生的捕獲液流返回噴霧塔，而C02生產液流被輸送至氣體釋出和分離罐。氣體釋出和分離罐的壓強被略微降低(但仍高于大氣壓)以使C02逸出。從該罐中獲得C02，將其干燥和壓縮進一步用于運輸和儲存。使被去除C02的生產液流返回并泵送通過膜層疊結構以重復該循環(huán)。對包括捕獲溶液和其他生產液流在內的生產液流的pH的持續(xù)監(jiān)測確保了在電滲析中只需要最小的電勢，由此使得能量效率最大化。IV)系統(tǒng)性能和操作不同于傳統(tǒng)溶劑系統(tǒng)，基于水的碳酸鹽吸收和BPMED再生不需要由生產液流再生溶劑，它們也不易于發(fā)生溶劑損失。溶劑(水和碳酸氯鹽)價廉，在工作條件下極其穩(wěn)定，并且毒性低。在環(huán)境溫度和壓強下的碳捕獲切實可行，盡管熱的煙道氣或加壓的氣流(已存在)所致的稍稍升高的溫度可能會有利。污染物例如H2S、S02和N0,在碳捕獲噴霧塔中一定程度上會被水解，并且將會進入碳捕獲排出液流。這些陰離子污染物可降低可能需要補給溶劑的碳捕獲塔的容量。通過根據具體的安裝特性提供合適的膜工作條件和過程控制來控制再生成本。所需的再生電力是電滲析中電流利用率和池電勢的函數。在BPMED中，根據工作條件，電流利用率可為80%-90%。對于涉及跨雙極膜的水分解的反應，較高固定電荷的理論膜電勢與濃度梯度有關。這一觀點在例如Ramirez,P，Mafe，S，Manzanares，JA，Pellicer，J.，JElectroanalChem1996;404:187;和Alcaraz，A.etal.Polymer41(2000)6627-663中有論述，上述每一篇文獻均通過援引的方式全文納入本說明書，其中，該觀點可以如下方式示例<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>(5)或者，在室溫下相當于0M=(O.OS91O,(6)其中，在第一個方程(5)中，R為氣體常數，T為熱力學溫度，F為法拉第(Faraday)常數，在第二個方程(6)中，ApH為跨雙極性膜的pH差。通常，在雙極性膜電滲析中，水合氫離子和氫氧根離子濃度接近單位活性。這就導致pH差大于14、池電勢約為1V或者更高，以及電力消耗較高。然而，如上述方程中所見，如果對溶液的pH進行調控，池電勢可降低。表II.002飽和溶液的選定的pH值和壓強<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>如果使用BPMED進行碳酸氫鹽/碳酸鹽液流的再生，該系統(tǒng)將在C02近飽和條件下工作。表11示出了飽和C02溶液的pH和壓強之間的關系。在工作壓強升高的條件下，碳酸鹽溶液的pH將在3-4范圍內。碳酸鹽/碳酸氫鹽C02捕獲液流的pH將會在捕獲速度和對溶液緩沖以使透析池中的HCO3—多于CO廣所需的pH之間取得一個平衡。對于一種系統(tǒng)能量效率被最優(yōu)化的情形，捕獲液流的pH約為8-9。在這種情況中，池將在約0.23-0.35V的電勢下工作。然而應理解，可控制捕獲溶液使其酸性更強或堿性更強。例如，可將捕獲液流的pH控制在10-12。對于這種情形，捕獲速度可以更高，噴霧塔可更小，但再生能量則需要更高。V)系統(tǒng)容量和投資系統(tǒng)容量受到噴霧塔吸收系統(tǒng)和BPMED池層疊結構中有效膜面積的限制。對電解液的電導率進行適當調控，則在這類系統(tǒng)中可采用50-100inA/cm2的電流密度。權利要求1.一種回收CO2的系統(tǒng)，包括一個含捕獲溶液的水溶液捕獲裝置，所述水溶液捕獲裝置被設置成用于接收氣體和從該氣體中捕獲至少含CO2的成分；和一個與所述捕獲裝置可操作連接的對所述至少含CO2的捕獲溶液進行電滲析操作的電滲析單元，其中由所述至少含CO2的捕獲溶液形成富含CO2的生產液流和再生捕獲溶液，所述再生捕獲溶液被輸送回所述水溶液捕獲裝置，所述富含CO2的生產液流為一種在電滲析單元中處于能將CO2基本上維持在所述富含CO2的生產液流中的壓強下的加壓生產液流。2.權利要求l的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)。3.權利要求l的系統(tǒng)，其中所述水溶液捕獲裝置為壓力水溶液捕獲裝置，該裝置在足以運行所述電滲析單元的高壓下運行，所述電滲析單元為雙極性膜電滲析單元。4.權利要求l的系統(tǒng)，進一步包括一個與所述電滲析單元可操作連接并被配置成用于接收所述富含C02的生產液流的氣體釋出罐/分離罐，所述富含C02的生產液流至少被部分減壓并被除去C02，所述去除了C02的生產液流被輸送回至所述電滲析單元。5.—種回收C02的方法，包括在一個水溶液捕獲裝置中接收氣體；通過所述水溶液捕獲裝置中的捕獲溶液捕獲至少部分的至少含C02的氣體；和通過一個電滲析單元對所述捕獲溶液進行電滲析操作，其中由所述至少含C02的捕獲溶液產生富含C02的生產液流和再生捕獲溶液，所述富含C02的生產液流為一種在電滲析單元中處于能將C02基本上維持在所述富含C02的生產液流中的壓強下的加壓生產液流。6.—種回收C02的方法，包括在一個水溶液捕獲裝置中接收氣體；通過所述水溶液捕獲裝置中的捕獲溶液捕獲至少部分的至少含C02的氣體；通過一個電滲析單元對所述捕獲溶液進行電滲析操作，其中由所述捕獲溶液產生富含C02的生產液流和再生捕獲溶液；和在所述電滲析單元對所述捕獲液流進行操作前至少控制所述捕獲液流的pH。全文摘要一種回收CO₂的系統(tǒng)和方法，包括含捕獲溶液的水溶液捕獲裝置。所述水溶液捕獲裝置被設置成用于接收氣體和從該氣體中捕獲至少含CO₂的成分。一個與所述捕獲裝置可操作連接的電滲析單元對所述至少含CO₂的捕獲溶液進行電滲析操作，其中由所述至少含CO₂的捕獲溶液形成富含CO₂的生產液流和再生捕獲溶液。所述富含CO₂的生產液流為一種在電滲析單元中處于能將CO₂基本上維持在所述富含CO₂的生產液流中的壓強下的加壓生產液流。在另一個供選方案中，至少所述捕獲液流的pH受到控制。文檔編號C01B31/20GK101670236SQ200910169599公開日2010年3月17日申請日期2009年9月8日優(yōu)先權日2008年9月8日發(fā)明者F·E·托雷斯,K·A·利陶申請人:帕洛阿爾托研究中心公司